短距離照明LED指向通信系統信號傳輸探討

馬佳何寧

（桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西 桂林541004）

0 引言

可見光通信技術是一種新興的無線光通信技術，隨著白光LED的發明和應用，可見光通信技術得到了很好的發展。在照明方面，白光LED因為擁有環保和節能等特點而被認為最終將取代熒光燈、白熾燈等傳統照明光源，成為下一代固體照明光源。在功能方面，白光LED還具有響應時間短和高速調制的特性，這些特性使得白光LED在提供照明的同時，還可以用作通信光源實現無線高速數據接入。而與傳統的紅外和無線電通信相比，基于白光LED的可見光通信具有發射功率高、無電磁干擾和無需申請頻譜資源等優點。因此，白光LED作為照明和通信兩用光源具有很大優勢，可以實現中短距離的通信。本文利用白光LED的照明和通信功能，實現中短距離的指向通信，為照明LED的應用提供一種新的方法。

1 LED照明與PWM驅動通信原理

1.1 LED照明通信原理

LED的本質為PN結，由于PN結具有勢壘電勢，在外加偏壓為零、熱平衡的情況下，LED不發光。當LED兩端加上正向偏置電壓，電子從N區向P區注入，空穴從P區向N區注入，在PN結附近稍偏于P區的地方，處于高能態的電子與空穴相遇復合時會把多余的能量釋放并以發光的形式表現出來。

利用LED此特性可實現照明LED可見光通信這種新型無線光通信技術，其存在協同潛力，具有照明功能和通信功能[1]。LED通信技術是指利用LED器件高速亮滅的發光響應特性發出高速率調制的光載波信號，利用光電轉換器件接收光載波信號。無線通信系統多采用光強度調制/直接探測（IM/DD）技術。

目前，無線光通信普遍采用光強度調制/直接檢測(IM/DD)調制方案。LED的光強度調制主要有模擬和數字信號調制。數字脈沖調制采用二進制信號“0”和“1”對光載波進行調制，實現簡單。通常把要傳輸的二進制數據通過編碼后，形成一組脈沖碼元，再對光源進行強度調制，其主要調制方式有開關鍵控（OOK），脈沖位置調制（PPM），數字脈沖間隔調制（DPIM）等[2]。其中在OOK調制中，每一比特時間T（單位S）內光脈沖處于開或關的狀態，信息“1”表示光發射器輸出光脈沖，信息“0”表示無光脈沖輸出。相較于其他調制方式，雖然OOK功率效率較低，抗干擾差，但是實現簡單，對帶寬需求小，且本課題設計的LED照明通信對光傳輸速率和距離要求不高，故系統采用OOK調制方式。

1.2 PWM驅動通信原理

PWM調光是常用做LED驅動器的調光方式。PWM調制是指脈沖載波的持續時間隨調制波的樣值而變的脈沖調制方式，簡稱脈寬調制。PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方式。PWM調光是使開關電路以相對于人眼識別能力來說足夠高的頻率工作，通過設置周期和占空比來改變輸出電流平均值，其輸出電流只有兩種狀態：最大額定工作電流和零電流。PWM調光可以保證LED的色溫恒定，驅動器的效率較高，并且能夠精確控制[3]。

PWM調光基于人眼對亮度閃爍不夠敏感的特性，使負載LED時亮時暗，如果亮暗的頻率超過100Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED的閃爍。PWM調光通過調整亮和暗的時間比例來實現調整亮度。這種方法通過把可調占空比和固定頻率的數字信號加載到調整亮和暗時間比例的引腳即可實現調光。

2 光路掃描控制與空間定位設計

空間光通信主要包括建立通信鏈路與傳輸信號兩部分，其中快速準確的捕獲對方端機，建立通信鏈路并保持信道穩定可靠是空間光通信的關鍵技術，即 APT（Acquisition，Pointing and Tracking）技術[4]。

APT系統的基本步驟可分為三個階段：捕捉、對準和跟蹤。捕獲過程是指接收機搜索不確定區，尋找發射機發射的信號過程。瞄準過程是指接收機根據接收到的光束到達方向，在精度允許的范圍內將本地的發射光束對準另一端發射機的過程。跟蹤是指在接收機根據接收到的光束判定光束到達方向，并保持監視接受光束的過程。APT系統主要由光學天線系統、位移伺服系統、粗跟蹤系統、精跟蹤系統和監控系統組成。其中，粗跟蹤系統的捕獲范圍較大、伺服控制執行機構的精度要求較低、功能是完成捕獲和對準，精跟蹤系統的捕獲范圍較小、伺服控制執行機構的精度要求高、功能是在完成粗跟蹤后，能夠按照總體設計所提出的跟蹤精度要求跟蹤信號光束，并向主發射端機發出相應反饋信號。監控系統的作用是采集光斑圖像并記錄光斑圖像，通過記錄下的光斑信息，為控制位移伺服平臺提供偏移量的參考數據。

除圖像信息捕獲分析外，采集判斷信號光強也是一種跟瞄方法[5]。本次實驗采用光強跟瞄的方法。

掃描裝置控制：根據光斑的尺寸預設程序參數，控制發射信標的轉動范圍和轉動速度，同時預設信號采集的采樣行數點數。

信號采集：接收探頭是由光敏二極管和放大電路組成，將光強度信號轉換為放大的電信號，然后將電信號連接到信號采集器，由信號采集器的控制程序記錄電信號強度數據。

光強數據中電壓信號最強點即光斑中心即為定位系統的目標位置。系統根據掃描結果，確定光斑中心，確定鏈路供后續光通信。

3 短距離指向通信系統實現

本實驗設計的短距離指向通信系統可完成數據的指向定向傳輸，系統組成包括數字發送端，云臺指向控制端，光發射端和定向接收端。發射端與指向控制的接收端為定向傳輸，指向控制的發射端與接收端為指向傳輸。

由于照明LED通信只適用于短距離，本次實驗選擇LED照射有效距離為5-30米，但為了確保照射亮度，本次光傳輸距離設計為10米，為了延長通信距離，所以本次實驗設計在通信過程中加入中繼部分。且由于本次實驗需完成一對多的定向通信，所以中繼部分需要有指向傳輸功能。由于實驗設計需要建立完整光通信鏈路使中繼部分與兩端實時傳輸信號，所以中繼部分設計為由云臺控制的指向傳輸控制端。

指向控制端通過探測器把接收到的光信號轉換成電信號，信號放大后處理送入單片機，由單片機發出云臺轉向指令，通過控制電路驅動云臺轉動。

系統傳輸的過程：1）發射端發射控制信息傳輸給控制端，指向傳輸控制端云臺接收到控制信息轉動相應角度并通過空間定位與接收端握手建立光通信鏈路。2）鏈路建立完成后，指向控制端回傳信號給發射端，表示鏈路已建立，可以開始實時傳輸數據。3）發射端開始發送信號，首先由單片機生成初始數字信號，通過FSK調制，將初始信號加載到由兩個不同的載波頻率表示的調制信號上；然后將已調制的信號送至LED驅動控制，驅動LED發送信號。4）指向傳輸控制端接收到已調信號后實時發射，把接收到的已調信號發送給定向接收端。接收端完成光接收后，通過信號放大解調濾波等步驟解調得到數字信息，完成數據的光傳輸。

數字通信過程中采用的是FSK調制，使用兩個不同頻率的載波f0、f1表示調制信號“0”和“1”。 其中 f0載波由 455kHz晶振電路產生，f1載波由38kHz晶振電路產生。通過74LS02芯片把載波信號疊加成FSK調制信號，輸入LED驅動。接收端采用型號為FDS100的光電探測器，其檢測波長范圍350-1100nm，探測面積3.6nm*3.6nm，暗電流為20nA，帶寬為35MHz。前置放大器將光電探測器探測到的微弱電流信號轉化為一定幅度的電壓信號以供后續電路處理，要求較高的增益，以便克服后續電路的損耗。放大后的信號通過包絡檢波和整形電路進行解調。其中D2為檢波二極管，RC組成低通濾波器，由LM358構成電壓比較器，為解調后的信號整形，同時它也是一個判決器，通過R20設定合適的電平判決閾值，使接收機不但能準確識別微弱的可見光信號，而且能有效避免噪聲干擾，解調后的波形由LM358輸出，傳送給單片機進行譯碼。

4 系統實驗與分析

本次實驗為達到短距離照明和通信功能，選用大功率LED投射燈，照射距離可達到5-30米，采用高亮度進口芯片、亮度高、能耗低、熱量低、壽命長，適合樓宇之間照明和室外通信。但由單片機發送的調制信號不能直接驅動LED投射燈，需要接入LED電源驅動，本次選用的是由mos管控制的恒壓開關電源驅動，在開關電源中常用MOS管的漏極開路電路，漏極原封不動地接負載，叫開路漏極，開路漏極電路中不管負載接多高的電壓，都能夠接通和關斷負載電流。是理想的模擬開關器件。這就是MOS管做開關器件的原理。經過實驗測試mos管控制恒壓開關電源驅動LED投射燈能有有效實現照明和通信功能，滿足實驗要求。

本次實驗測試模塊分為發射模塊、控制模塊和接收模塊。數字通信中由單片機生成初始信號經過FSK調制將信號加載到455kHz和38kHz的載波上，接入mos管柵極，漏極接恒壓電源，驅動LED照明并發射信號。光電探測器接收到微弱信號經過多級放大后得到幅度合適的信號，通過檢波濾波后恢復初始信號。其中，暗波形為38kHz的正弦波載波，亮波形為455kHz的正弦波載波，疊加組成500Hz的初始方波信號。發射接收的波形如圖1。

圖1 發射接收端波形圖

5 結論

本文基于短距離LED指向通信信號傳輸的探討，設計了一種可完成短距離數字傳輸的光通信系統。經實驗測試表明，通過掃描空間定位建立鏈路，調制解調編碼，PWM控制開關電源驅動LED，云臺控制指向等技術，可以有效的完成短距離LED指向通信傳輸系統的功能。

［1］Zou Xuecheng,Yu Kai,Zheng Zhaoxia.Dynamic Current Limitation Circuit for White LED Driver[J].Circuits and System,2008：898-901.

［2］汪井源,張正線.無線光通信中的 PPM 調制[J].電訊技術,2000,40(5)：81-84.

［3］趙曉燕.照明LED在城市交通導向系統的應用研究[D].桂林：桂林電子科技大學,2011.

［4］雷思琛.無線激光通信APT系統的研究與設計[D].西安：西安理工大學,2013.

［5］劉長青,馬軍山,邵曉麗.高斯光束橫向光強分布的檢測研究[J].光學儀器,2013,35(6)：69-73.